CN106918852B - 一种大角度离轴聚焦平面透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳光学器件，具体公开了一种大角度离轴聚焦平面透镜，包括衬底层，设置于所述衬底层上方的金属纳米片组，所述金属纳米片组有序地间隔排列在所述衬底层上，使衬底层上形成一序列狭缝，所述狭缝内填充有机钙钛矿(CH3NH3PbI3)超材料。本发明通过平面透镜中的金属‑有机钙钛矿薄膜具有强激子‑等离子体耦合效应，带来很高的折射率和很低的散射损失，当入射光透过各个狭缝时，利用透射光的相关相移来控制光束的相位调制，进而实现光束的聚焦。

Description

一种大角度离轴聚焦平面透镜
技术领域
本发明涉及微纳光学器件，具体涉及一种大角度离轴聚焦平面透镜。
背景技术
在高度集成的光学系统中，具有小外形尺寸和优良光学性能的光学器件是非常重要的。随着纳米制造技术的出现，越来越多的紧凑光学系统被提出来，平面透镜由于其特有的聚焦能力和超薄特性，受到了研究人员的青睐，已经成为成像系统、医学诊断、通信和光谱测量方面不可或缺的组件。作为典型的代表，电解质表面透镜具有光损耗非常低的特点，例如基于金属纳米片的等离子体透镜，已经被设计出来，通过设计金属纳米狭缝来控制出射光束。然而，这些透镜由于聚焦调制方法的缺陷，其实际工作距离被严格限制在近场区域，同时，大角度的聚焦能力也还有待改善，因而限制了其应用场合。可见，现有技术尚存在不足之处。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于有机钙钛矿(CH3NH3PbI3)超材料的大角度离轴聚焦平面透镜。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明的大角度离轴聚焦平面透镜，包括衬底层，设置于所述衬底层上方的金属纳米片组，所述金属纳米片组有序地间隔排列在所述衬底层上，使衬底层上形成一序列狭缝，所述狭缝内填充有机钙钛矿(CH3NH3PbI3)超材料。
进一步的，所述衬底层材料为二氧化硅材料。
进一步的，所述纳米片厚度为150nm-800nm，宽度为200-400nm。
本发明设计的纳米片厚度可以实现在光波波长为380nm-760nm的范围内实现聚焦。
作为优选的，所述纳米片组厚度为450nm，宽度为250nm。
进一步的，所述纳米片组为金纳米片组或银纳米片组。
作为优选的，所述纳米片组为金纳米片组。采用金纳米片组由于其色散关系的影响，在可见光波段其对旁斑抑制效果更明显。
进一步的，所述狭缝宽度设置为80nm-350nm。
作为优选的，所述狭缝宽度设置为150nm。在该宽度下实现聚焦对旁斑的抑制效果较好。
可以理解的是，所述有机钙钛矿填充的厚度应该是与金属纳米片组的厚度相一致。
当入射光通过宽度显著小于入射波长的狭缝时，基模(TM0)产生的相位延迟可以由Re(β)h计算出来，h和β的关系如下：
其中，Re表示实部，h表示狭缝的厚度，β表示有机钙钛矿材料的色散，k0自由空间传输函数，w是纳米缝隙的孔径，εd,εm分别是绝缘体(有机钙钛矿材料)和金属的介电常数。
与普通透镜类似，当具有圆偏振(CPL)的横磁波(TM)从二氧化硅衬底穿过狭缝进入上空气介质时，由相位调制带来的干涉作用对远场聚焦起到主要的作用，可以实现按照设计目标提出的聚焦效果。根据等效光程原理，从透镜中心为原点的横向相位分布函数可以表示为：
其中n是任意整数，λ是工作波长，而f是设计的焦距。因此，只要不同位置的相移满足(2)式，就可以实现所要求设计的聚焦距离。
本发明的有益效果为：
本发明通过平面透镜中的金属-有机钙钛矿薄膜具有强激子-等离子体耦合效应，带来很高的折射率和很低的散射损失，当入射光透过各个狭缝时，利用透射光的相关相移来控制光束的相位调制，进而实现光束的聚焦。本发明的平面透镜具有广角成像的能力。
附图说明
图1是本发明提供的平面透镜的结构示意图。其中，(a)是平面透镜的示意图；(b)是单个狭缝的截面图。
图2是本发明提供的平面透镜的性能示意图。其中，(a)表示聚焦距离为20μm时平面透镜的透射场光强分布图；(b)表示聚焦距离为30μm时平面透镜的透射场光强分布图；(c)表示聚焦距离为40μm时平面透镜的透射场光强分布图；(a)-(c)图中的虚线表示工作波长为700nm时焦平面所在位置；(d)表示(a)-(c)图中不同焦距时z轴方向的光强分布；(e)表示(a)-(c)图中不同焦距时x轴方向的透射光强分布。
图3是本发明提供的焦距为40μm的平面透镜在不同入射角度时的聚焦性能。其中(a)-(d)为632.8nm的入射光分别以角度为15度、30度、45度、60度入射时的透射光强分布图。
图4是本发明提供的平面透镜在不同入射波长下的聚焦性能。其中(a)-(d)分别表示在工作波长为415nm、532nm、632nm、750nm时透射光强度分布，虚线表示焦平面位置；(e)表示不同工作波长在对应的焦平面处沿x轴方向的透射光强分布；(f)表示不同入射波长下的色差曲线和模拟结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请一并参阅图1(a)和图1(b)，本发明提供的平面透镜，包括由二氧化硅材料形成平整光滑的衬底层，设置于所述衬底层上方的金(Au)材料组成的纳米片组，所述纳米片的厚度h为450nm，宽度为250nm，该纳米片组有序地间隔排列在所述衬底层上，形成一序列宽度w为150nm的长方形狭缝，所述狭缝填充有有机钙钛矿(CH3NH3PbI3)超材料，与纳米片组平齐。
由于本发明提供的平面透镜中的金属-有机钙钛矿薄膜具有强激子-等离子体耦合效应，带来很高的折射率和很低的散射损失，当入射光透过各个狭缝时，利用透射光的相关相移来控制光束的相位调制，进而实现光束的聚焦。当入射光通过宽度显著小于入射波长的狭缝时，根据现有技术(Economou,E.,Surface plasmons in thin films.Physicalreview,1969.182(2):p.539.)，基模(TM0)产生的相位延迟可以由Re(β)h计算出来：
其中，h表示狭缝的厚度，β表示色散，k0自由空间传输函数，w是纳米缝隙的孔径，εd、εm分别是绝缘体和金属的介电常数。
当具有圆偏振(CPL)特性的的横磁波(TM)从二氧化硅衬底穿过狭缝进入上空气介质时，由于有机钙钛矿(CH3NH3PbI3)的折射率比二氧化硅基底和空气高，上覆层高，有机钙钛矿的上边界和下边界发生法布里-珀罗谐振。在小于入射波长的狭缝中，便发生了相关的相位延迟。根据光学等效光程原理(Verslegers,L.,et al.,Planar lenses based onnanoscale slit arrays in a metallic film.Nano Letters,2009.9(1):p.235-8.)，从透镜中心为原点的横向相位分布函数可以表示为：
其中n是任意整数，λ是工作波长，而f是设计的焦距。因此，只要不同位置的相移满足(2)式，就可以实现所要求设计的聚焦距离。
为了证明本发明提供的平面透镜所具备的性能，使用FDTD方法对该平面透镜进行了验证。为了确保模拟精度，在代表横向方向x轴和纵向方向的z轴使用了2×2nm的网格，使用具有圆偏振的TM模偏振光作为光源，透镜的尺寸可以通过增减金纳米片-有机钙钛矿周期的数量来改变大小(分别采用16、22、30个金纳米片-有机钙钛矿周期来实现)。
请参阅图2(a-c)，图中展示了当焦距分别设置为20μm、30μm、40μm时，透射场的光强分布结果，从图中可见，平面透镜的焦点随着增加金纳米片-有机钙钛矿周期的数量而增加，图中的虚线表示了检测到的焦点位置分别为：16.21μm、25.71μm和36.22μm，其中的理论值与模拟值之间的差异可以认为是与分析公式简化近似带来的误差，同时，图2(d-e)展示了光轴上和焦平面处的光强分布，可见，焦深明显地随着金纳米片-有机钙钛矿周期的数量的增加而增加。与之相反的是，焦平面处的焦点最大全宽(FWHM)却随着金纳米片-有机钙钛矿周期的数量的增加而减小，说明当透镜尺寸变小时，可以实现更好的焦点。
在理想情况下，入射光垂直入射于平面透镜，但是很多实际使用是斜入射的场景，因此我们还考察在焦距是40μm的平面透镜在斜入射的情况。请参阅图3(a-d)，当入射光分别以15度、30度、45度和60度的角度从二氧化硅基板斜入射时，模拟结果可以很好地与理论值吻合，虽然在60度大角度斜入射的情况下不可避免地出现了比较大的旁瓣导致了离轴像差，但是焦点仍然可以被检测到。当入射角度大于60度时，由于旁瓣与透射光场中的主光斑重合在一起，聚焦才开始变得模糊。因此，本发明提供的平面透镜具有广角成像的能力。
为了更加深入的验证本发明提供的平面透镜适用性，我们还考察了焦距是40μm的平面透镜在不同波长入射情况下的聚焦性能。请参阅图4(a-d)，当入射波长分别为415nm、532nm、632nm和750nm时，从图中可以发现，检测到的透射光场的分布如预期那样具有几乎相同的透射光强分布，除了在焦距效率有少许变化和最佳聚焦范围在24μm到42μm之间波动，图4(e)展示了在最佳焦点处横截面的光强分布，可以发现它们的光强分布是一致的，出现这种现象的原因是由于在近轴近似下的色差效应，而聚焦范围波动可以通过控制轴向色差补偿的方法来改善。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，包括衬底层，设置于所述衬底层上方的金属纳米片组，金属纳米片有序地间隔排列在所述衬底层上，使衬底层上形成一序列狭缝，所述狭缝内填充有机钙钛矿超材料。
2.根据权利要求1所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述衬底层材料为二氧化硅材料。
3.根据权利要求1所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述纳米片厚度为150nm-800nm，宽度为200-400nm。
4.根据权利要求3所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述纳米片厚度为450nm，宽度为250nm。
5.根据权利要求1所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述纳米片组为金纳米片组或银纳米片组。
6.根据权利要求5所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述纳米片组为金纳米片组。
7.根据权利要求1所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述狭缝宽度设置为80nm-350nm。
8.根据权利要求7所述的大角度离轴聚焦平面透镜，其特征在于，所述狭缝宽度设置为150nm。
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